FtsZ
| Białko podziału komórkowego FtsZ | |
|---|---|
| Identyfikatory | |
| Symbol | FtsZ |
| InterPro | IPR000158 |
| CATH | 1fsz |
| SCOP2 | 1fsz / ZAKRES / SUPFAM |
| CDD | cd02201 |
| FtsZ, C-końcowe | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| identyfikatory kanapkowe | |||||||||
| Symbol | FtsZ_C | ||||||||
| Pfam | PF12327 | ||||||||
| InterPro | IPR024757 | ||||||||
| |||||||||
| Białko podziału komórkowego FtsZ | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura molekularna FtsZ (PDB 1fsz).
| |||||||
| Identyfikatory | |||||||
| Organizm | |||||||
| Symbol | ftsZ | ||||||
| UniProt | P0A9A6 | ||||||
| |||||||
FtsZ jest białkiem kodowanym przez gen ftsZ , które składa się w pierścień w miejscu przyszłego podziału komórki bakteryjnej (zwanym również pierścieniem Z ). FtsZ jest prokariotycznym homologiem tubuliny eukariotycznej . _ Inicjały FtsZ oznaczają „ W ilamentujący mutant wrażliwy na temperaturę Z ” . Hipoteza była taka, że mutanty E. coli z podziałem komórkowym będą rosły jako włókna z powodu niezdolności komórek potomnych do oddzielania się od siebie. FtsZ występuje w prawie wszystkich bakteriach, wielu archeonach, wszystkich chloroplastach i niektórych mitochondriach, gdzie jest niezbędny do podziału komórki. FtsZ składa rusztowanie cytoszkieletu pierścienia Z, które wraz z dodatkowymi białkami ogranicza podział komórki na dwie części.
Historia
W latach sześćdziesiątych XX wieku naukowcy przeprowadzili badania przesiewowe pod kątem mutacji wrażliwych na temperaturę, które blokowały podział komórek w temperaturze 42°C. Zmutowane komórki dzieliły się normalnie pod kątem 30°, ale nie dzieliły się pod kątem 42°. wzrostu bez podziału dała długie komórki nitkowate ( włóknienie wrażliwe na temperaturę ) . Kilka takich mutantów zostało odkrytych i zmapowanych do locus pierwotnie nazwanego ftsA, którym może być jeden lub więcej genów . W 1980 roku Lutkenhaus i Donachie wykazali, że kilka z tych mutacji zostało zmapowanych w jednym genie, ftsA, ale jeden dobrze scharakteryzowany mutant, PAT84, pierwotnie odkryty przez Hirotę i wsp., został zmapowany do oddzielnego, sąsiedniego genu. Nazwali ten gen podziału komórkowego ftsZ. W 1991 roku Bi i Lutkenhaus użyli mikroskopii elektronowej z immunogoldem, aby wykazać, że FtsZ zlokalizował się w przegrodzie wklęsłej w komórce środkowej. Następnie grupy Losick i Margolin wykorzystały mikroskopię immunofluorescencyjną i fuzje GFP, aby wykazać, że FtsZ składa pierścienie Z na wczesnym etapie cyklu komórkowego, na długo przed tym, jak przegroda zaczęła się kurczyć. Następnie inne białka podziału gromadzą się na pierścieniu Z i następuje zwężenie w ostatniej części cyklu komórkowego.
W latach 1992-3 trzy laboratoria niezależnie odkryły, że FtsZ jest spokrewniony z tubuliną eukariotyczną, która jest podjednostką białkową składającą się w mikrotubule. Było to pierwsze odkrycie, że bakterie mają homologi eukariotycznych białek cytoszkieletu. Późniejsze prace wykazały, że FtsZ był obecny i niezbędny do podziału komórek prawie wszystkich bakterii i wielu, ale nie wszystkich archeonów.
Mitochondria i chloroplasty to organelle eukariotyczne, które powstały jako bakteryjne endosymbionty, więc było duże zainteresowanie tym, czy wykorzystują FtsZ do podziału. Chloroplast FtsZ został po raz pierwszy odkryty przez Osteryounga i obecnie wiadomo, że wszystkie chloroplasty używają FtsZ do podziału. Mitochondrialny FtsZ został odkryty przez Beecha w algach; FtsZ jest używany do podziału mitochondriów u niektórych eukariontów, podczas gdy inne zastąpiły go maszynerią opartą na dynaminie.
W 2014 roku naukowcy zidentyfikowali dwa homologi FtsZ u archeonów , FtsZ1 i FtsZ2 .
Funkcjonować
Podczas podziału komórki FtsZ jest pierwszym białkiem, które przemieszcza się do miejsca podziału i jest niezbędne do rekrutacji innych białek, które wytwarzają nową ścianę komórkową ( przegrodę ) między dzielącymi się komórkami. Rola FtsZ w podziale komórkowym jest analogiczna do roli aktyny w podziale komórek eukariotycznych, ale w przeciwieństwie do pierścienia aktynowo - miozynowego u eukariontów, z FtsZ nie jest związane żadne znane białko motoryczne . Synteza ściany komórkowej może wypychać błonę komórkową na zewnątrz, zapewniając siłę cytokinezy. Potwierdzając to, u E. coli na szybkość podziału wpływają mutacje w syntezie ściany komórkowej. Alternatywnie, FtsZ może ciągnąć błonę od wewnątrz w oparciu o Osawę (2009), pokazując siłę skurczu białka na liposomach bez innych białek.
Erickson (2009) zaproponował, w jaki sposób role białek podobnych do tubuliny i białek podobnych do aktyny w podziale komórki zostały odwrócone w tajemnicy ewolucyjnej. Zastosowanie pierścienia FtsZ w dzieleniu chloroplastów i niektórych mitochondriów dodatkowo potwierdza ich prokariotyczne pochodzenie. Bakterie w kształcie litery L , które nie mają ściany komórkowej, nie wymagają FtsZ do podziału, co sugeruje, że bakterie mogły zachować składniki rodowego sposobu podziału komórki.
Wiele wiadomo o dynamicznych działaniach polimeryzacyjnych tubuliny i mikrotubul , ale niewiele wiadomo o tych działaniach w FtsZ. Chociaż wiadomo, że jednoniciowe tubuliny tworzą 13 niciowych mikrotubul , wieloniciowa struktura pierścienia Z zawierającego FtsZ nie jest znana. Spekuluje się jedynie, że struktura składa się z zachodzących na siebie protofilamentów. Niemniej jednak ostatnie prace z oczyszczonym FtsZ na wspieranych dwuwarstwach lipidowych, jak również obrazowanie FtsZ w żywych komórkach bakteryjnych ujawniły, że protofilamenty FtsZ mają polaryzację i poruszają się w jednym kierunku przez bieżnię (patrz także poniżej).
Bacillus odkryto białka podobne do tubuliny i FtsZ . Uważa się, że działają jako składniki segrosomów , które są wielobiałkowymi kompleksami dzielącymi chromosomy/plazmidy w bakteriach. Wydaje się, że homologi plazmidu tubuliny/FtsZ zachowały zdolność do polimeryzacji we włókna.
Pierścień kurczliwy („pierścień Z”)
FtsZ ma zdolność wiązania się z GTP , a także wykazuje domenę GTPazy , która umożliwia hydrolizę GTP do GDP i grupy fosforanowej. In vivo FtsZ tworzy włókna z powtarzającym się układem podjednostek, wszystkie ułożone od głowy do ogona. Włókna te tworzą pierścień wokół podłużnego punktu środkowego lub przegrody komórki. Ten pierścień nazywa się pierścieniem Z.
Aktywność białka hydrolizująca GTP nie jest niezbędna do tworzenia włókien lub podziału komórek. Mutanty z defektem aktywności GTPazy często nadal dzielą się, ale czasami tworzą skręcone i nieuporządkowane przegrody. Nie jest jasne, czy FtsZ faktycznie zapewnia siłę fizyczną, która powoduje podział, czy też służy jako rusztowanie dla innych białek do przeprowadzenia podziału.
Istnieją dwa modele, w jaki sposób FtsZ może generować siłę zwężenia. Jeden model opiera się na obserwacji, że protfilamenty FtsZ mogą być proste lub zakrzywione. Sugeruje się, że przejście od prostego do zakrzywionego generuje siłę zginającą na membranie. Inny model oparty jest na ślizgowych protofilamentach. Modele komputerowe i in vivo sugerują, że pojedyncze włókna FtsZ nie mogą wytrzymać długości większej niż 30 podjednostek. W tym modelu siła ściśnięcia FtsZ pochodzi ze względnego bocznego ruchu podjednostek. Linie FtsZ ustawiałyby się razem równolegle i ciągnęłyby się nawzajem, tworząc „sznur” wielu sznurków, który sam się napina.
W innych modelach FtsZ nie zapewnia siły skurczowej, ale zapewnia komórce przestrzenne rusztowanie dla innych białek w celu przeprowadzenia podziału komórki. Jest to podobne do tworzenia tymczasowej konstrukcji przez pracowników budowlanych, aby uzyskać dostęp do trudno dostępnych miejsc w budynku. Tymczasowa konstrukcja umożliwia nieograniczony dostęp i zapewnia pracownikom dostęp do wszystkich miejsc. Jeśli tymczasowa struktura nie zostanie prawidłowo zbudowana, pracownicy nie będą mogli dotrzeć do niektórych miejsc, a budynek będzie wadliwy.
Teoria rusztowania jest poparta informacjami, które pokazują, że utworzenie pierścienia i lokalizacja w błonie wymaga skoordynowanego działania wielu białek pomocniczych. ZipA lub homolog aktyny FtsA umożliwiają początkową lokalizację FtsZ w błonie. Po lokalizacji na błonie, białka dywizji z rodziny Fts są rekrutowane do składania pierścienia. Wiele z tych białek kieruje syntezą nowej przegrody podziału w komórce środkowej (FtsI, FtsW) lub reguluje aktywność tej syntezy (FtsQ, FtsL, FtsB, FtsN). Czas tworzenia pierścienia Z sugeruje możliwość przestrzennego lub czasowego sygnału, który pozwala na tworzenie włókien FtsZ.
Niedawne obrazowanie w super rozdzielczości u kilku gatunków wspiera dynamiczny model rusztowania, w którym małe skupiska protofilamentów FtsZ lub wiązek protofilamentów poruszają się jednokierunkowo wokół obwodu pierścienia przez bieżnię, zakotwiczone w membranie przez FtsA i inne specyficzne dla FtsZ membrany . Szybkość bieżni zależy od szybkości hydrolizy GTP w obrębie protofilamentów FtsZ, ale u Escherichia coli synteza przegrody podziału pozostaje etapem ograniczającym szybkość cytokinezy. Działanie bieżne FtsZ jest wymagane do prawidłowej syntezy przegrody podziału przez enzymy syntezy peptydoglikanu przegrody, co sugeruje, że enzymy te mogą śledzić rosnące końce włókien.
Lokalizacja przegrody i sygnalizacja wewnątrzkomórkowa
Tworzenie pierścienia Z ściśle pokrywa się z procesami komórkowymi związanymi z replikacją. Tworzenie pierścienia Z zbiega się z zakończeniem replikacji genomu w E. coli i 70% replikacji chromosomów w B. subtilis . Czas tworzenia pierścienia Z sugeruje możliwość przestrzennego lub czasowego sygnału, który pozwala na tworzenie włókien FtsZ. W Escherichia coli co najmniej dwa negatywne regulatory składania FtsZ tworzą dwubiegunowy gradient, tak że stężenie aktywnego FtsZ wymaganego do składania FtsZ jest najwyższe w środkowej komórce między dwoma segregującymi chromosomami, a najniższe na biegunach i nad chromosomami. Wydaje się, że ten typ regulacji występuje u innych gatunków, takich jak Bacillus subtilis i Caulobacter crescentus . Jednak inne gatunki, w tym Streptococcus pneumoniae i Myxococcus xanthus, wydają się wykorzystywać pozytywne regulatory, które stymulują gromadzenie FtsZ w środkowej komórce.
Komunikowanie się w niebezpieczeństwie
Polimeryzacja FtsZ jest również powiązana ze stresorami, takimi jak uszkodzenie DNA . Uszkodzenie DNA indukuje wytwarzanie różnych białek, z których jedno nazywa się SulA. SulA zapobiega polimeryzacji i aktywności GTPazy FtsZ. SulA wykonuje to zadanie, wiążąc się z samorozpoznawalnymi witrynami FtsZ. Poprzez sekwestrację FtsZ komórka może bezpośrednio powiązać uszkodzenie DNA z hamowaniem podziału komórki.
Zapobieganie uszkodzeniom DNA
Podobnie jak SulA, istnieją inne mechanizmy, które zapobiegają podziałowi komórki, który skutkowałby zakłóceniem informacji genetycznej wysyłanej do komórek potomnych. Jak dotąd w E. coli i B. subtilis zidentyfikowano dwa białka , które zapobiegają podziałowi w regionie nukleoidu: Noc i SlmA. Nokaut genu Noc powoduje, że komórki dzielą się bez względu na region nukleoidowy , co skutkuje jego asymetrycznym podziałem między komórki potomne. Mechanizm nie jest dobrze poznany, ale uważa się, że obejmuje sekwestrację FtsZ, zapobiegając polimeryzacji w regionie nukleoidu. Mechanizm stosowany przez SlmA do hamowania polimeryzacji FtsZ nad nukleoidem jest lepiej poznany i obejmuje dwa oddzielne etapy. Jedna domena SlmA wiąże się z polimerem FtsZ, następnie oddzielna domena SlmA odcina polimer. Uważa się, że podobny mechanizm wykorzystuje MinC, inny inhibitor polimeryzacji FtsZ zaangażowany w pozycjonowanie pierścienia FtsZ.
Znaczenie kliniczne
Obecnie rośnie liczba szczepów bakterii opornych na wiele leków; w związku z tym pilnie potrzebne jest określenie celów dla leków do opracowania nowych leków przeciwdrobnoustrojowych. Potencjalna rola FtsZ w blokowaniu podziałów komórkowych, wraz z jego wysokim stopniem zachowania wśród różnych gatunków bakterii, sprawia, że FtsZ jest bardzo atrakcyjnym celem dla opracowywania nowych antybiotyków. Naukowcy pracowali nad syntetycznymi cząsteczkami i produktami naturalnymi jako inhibitorami FtsZ.
Spontaniczna samoorganizacja FtsZ może być również wykorzystana w nanotechnologii do wytwarzania metalowych nanodrutów.
Zobacz też
- Rozszczepienie (biologia) – Proces biologiczny
- Divisom – Kompleks białkowy w bakteriach odpowiedzialny za podziały komórkowe
- FtsK – Białko biorące udział w podziale komórki bakteryjnej